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1、昆明电器科学研究所KEARI蒙自矿冶有限公司新系统谐波治理昆明电器科学研究所2013 年 04 月 昆明电器科学研究所 谐波检测报告KEARI2一、项目概述蒙自矿冶有限责任公司创建于 1996 年，是一家集资源勘查、采矿、选矿、冶炼于一体，以资源综合开发利用为主的大型民营矿业企业。蒙自矿冶有限责任公司供电系统当前设有铟锌冶炼厂 110kV 总降压站一座，两回路电源均引自 220kV 南湖变电站。铟锌冶炼厂 110kV 总降站站内当前配置 1 台 110/10kV 主变压器，容量 20000kVA，2 台 10/10kV 整流变压器，容量 20000kVA，并且预计增加 1 台 110/10kV
2、 主变压器，容量 315000kVA。根据市场发展，该企业需要新上一套年产 6 万吨的铅冶炼生产线。新的生产线负荷上来后，对原来的用电情况发生改变。应电力部门的要求，我所对新系统电能质量情况进行分析，针对蒙自矿冶有限责任公司的新系统，在矿区正常生产情况下的谐波情况进行了仿真测算，并对该厂的电能质量进行分析，本文即为测算分析及需要原系统无功补偿系统进行升级改造提出的综合方案。二、系统的负荷及一次接线情况1、蒙自矿冶有限责任公司原设有铟锌冶炼厂 110kV 总降压站一座，两回路电源均引自 220kV 南湖变电站，线路长度约 12.86km。110KV 母线一次接线昆明电器科学研究所 谐波检测报告K
3、EARI3为单母线分段方式，正常情况母联投入运行，两条进线一主一备方式。2、该站 110KV 母线接带新系统一台 110/10kV 主变压器，容量 31.5MVA, 铅冶炼采用底吹熔炼工艺流程，生产规模达到 6 万 t/a、硫酸 66478t/a，用电负荷归算到 10kv 侧,设备安装功率 33508kw,其中工作：27216kw；计算有功功率 18576kw,计算无功功率 5879kvar,计算视在功率 19484kvA。铟锌冶炼厂总降站可提供 4 路 10kV 电源。系统的简单一次原理图如下：三、 系统存在的问题及分析蒙自矿冶有限责任公司用电负荷主要是变频电机、交流电动机、冶炼炉、整流、变
4、流等负载。这将给运行带来以下几方面问题：1、供电设备中变频调速电机以及整流、变流装置等的长期使用，将在系统中出现大量的谐波，会严重影响了系统的安全运行。据提供的数据表明：1） 对 31.5MVA 动力变压器所带的负荷中， 0.4KV 系统的整流主要为 6脉动的低压变频器主要产生 5 次和 7 次谐波，总安装容量估计为 1000kW，理论计算 5 次谐波电流为 303A，7 次谐波电流为 217A。昆明电器科学研究所 谐波检测报告KEARI42） 对 110KV/10KV 的主变压器高压侧，大约有 9 台总容量为 4000kW 的48 脉动的高压变频器，其主要产生 47 次和 49 次谐波。理论
5、计算 47 次谐波电流为 4.9A，49 次谐波电流为 4.7A。一台容量为 2300kVA 的 12 脉动的高压整流装置主要产生 11 次和 13 次谐波，计算 11 次谐波电流为 12A，13 次谐波电流为 10.2A；一台容量为 1800kVA 的电炉变压器主要产生 3 次和 5 次谐波，计算 3 次谐波电流为 3A5 次谐波电流为 2A；通过对用仿真软件 PSCAD 对新系统仿真的结果也表明，从 10KV 的 PCC 点所测量的数据看，系统中的各次谐波含量为 5 次 10.1A，7 次 6.8A，11 次10.79A，13 次 7.95A，23 次 1.39A，25 次 1.24A。电
6、流畸变率 THDI 为1.53，电压畸变率 2.22。由此可见，流入 10KV 公共连接点（PCC）的 11次、13 次谐波电流超过国标，电压畸变率未超标。其主要波形曲线如下：10KV 系统电压波形 昆明电器科学研究所 谐波检测报告KEARI510KV 系统电流波形 10KV 系统各次谐波含量 10KV 系统谐波畸变率 昆明电器科学研究所 谐波检测报告KEARI62、电压波动和闪变方面，由于动力负荷中的最大电动机 1600KW，且还加装了变频调速装置运行，不会对系统带来冲击。而未装变频的交流电动机最大容量 1250KW，其冲击电流 550A，仿真表明对系统的冲击影响不大，电压波动小于 2的国标
7、，符合相关标准。四、谐波分析根据对 10KV 变频调速及整流变流计算，系统中的各次谐波含量为 3 次谐波：3A ；5 次谐波：9.7A；7 次谐波：6.51A ；11 次谐波：12A；13 次谐波：10.2A；47 次谐波电流估算为 1.66A：49 次谐波电流为：1.59A；则 11 次、13次超过了国家标准，会对系统带来较大影响。 谐波谐振示意图如下：g.LH Xc c并联谐振图例并联谐振谐波并联谐振的结果，将使谐波电流放大，造成电容器过电流而产生故障及变压器的损耗增加。昆明电器科学研究所 谐波检测报告KEARI7谐 波 源 RNXSCZ谐 波 源 XcX并联谐振等效电路图串联谐振谐波串联
8、谐振的结果，将使电容器或设备因过电压而发生故障。ZLTCZSCM谐 波 源谐 波 源串联谐振等效电路图五、电能治理综合治理方案根据上述分析的结果，为达到抑制谐波、稳定系统、提高产品质量、降低损耗的原则制定以下治理方案：（一） 、无功补偿及谐波的治理1、补偿容量的确定 1）对 31.5MVA 动力变压器的容量，按照 25的比率计算，需要补偿容昆明电器科学研究所 谐波检测报告KEARI8量 5000KVAR，目前每段只补偿了 1500KVR，根据交流电动机所带凤机及水泵的自然 cos 值，平均在 0.75，按负荷率 0.8 考虑，确定用户电动机等负载运行时的补偿后目标功率因数0.95 左右，符合国
9、家规定。根据计算，为保证补偿达到 COS 为 0.95 的目标值，实际计算得应补偿的无功功率 3000KVAR，剩余的补偿容量或放在低压 0.4KV 进行补偿。2）对 1000KW 低压变频无功补偿，按照治理谐波的要求补偿，工作时时的平均 cos 在 0.95 左右，计算要补偿到目标值 0.98，需要在 0.4KV 侧补偿无功容量 600KVAR。2、谐波的治理根据前述各次谐波的数值，考虑到系统背景谐波电压的影响，我们设计针对数值较大的 5 次、7 次、11 次、13 次谐波进行治理，同时对 23 次、25 次也有较好治理效果。3、综合治理方案本着为用户节省投资，同时能达到谐波治理的效果和达到
10、的功率因数出发，现考虑以下综合治理方案：根据分析计算的结果，并考虑到现场各工艺检修不同时间的特点，以节约经济为原则，采用突出重点，分层治理的方法对系统进行无功补偿及谐波治理。（1）对于 31.5MVA 动力变压器，在 10KV 母线上采用真空接触器动态投切电容器组的方式(简称 MSC)，将补偿容量 2X1500KVAR 分成等容量的四个补偿支路，根据负荷变动情况，自动进行动态投切各补偿支路，来满足功率因数的要求；另外根据谐波源的性质，我们在装置中将补偿支路设计为兼有对昆明电器科学研究所 谐波检测报告KEARI95 次、7 次谐波滤波功能，以实现对 10KV 系统谐波的抑制。（2）在 10kv
11、母线上安装国家发明专利的升级产品-智能调谐节能装置（SHK-ZT） ，将每段补偿回路分为 2 组进行动态投切。该装置投入运行后：a.可以实现同步投切，减少冲击涌流过电压对电容器和电抗器的损害。即控制器通过检测电网系统电压的零点，然后分别控制特制的单相永磁单稳态开关在三相电压的零点合闸，以最低的涌流冲击将电容器和电抗器接入电网系统工作，防止了冲击涌流过电压对电容器、电抗器绝缘的损害；b.本装置可对单次谐波有较大的滤波作用，不会发生并联谐振放大，避免了传统无功补偿装置在运行中相继发生熔断器单个熔断，或全部熔断的“群爆” 、或运行中电容器“鼓肚” ，迫使该装置退出运行的现象，提高系统电能质量水平。c
12、.当在退出运行时，开关断开后由三相组合过电压保护器和能量吸收装置分别工作，限制操作过电压幅值，防止开关闪络和爆炸事故及，同时放电装置工作将电容器残余电荷放净。d.当需要分组补偿时，控制器“采用重复学习最优控制”技术，自动选择补偿容量投入，从而实现动态补偿，稳定电压，节能降耗目的。当需要监测电网系统的的实际电能质量水平时，可通过控制器实时显示当时的电能质量指标，以便于进行工作时的指导。e.本套无功动态补偿及滤波装置为柜式结构分别安装在 10KV 母线上，整套装置的控制和保护由控制器、保护器加继电器组成。控制系统装在第一面补偿滤波器柜上，为全数字式控制保护，提供报警信号和事故音响信号。f.控制器采
13、用控制方法根据控制策略，检测有关电压，电流、谐波及功昆明电器科学研究所 谐波检测报告KEARI10率因数，根据网络的电压、电流、谐波等电网参数进行实时监测，根据电压和谐波量的变化，对电网进行滤波和动态补偿。g.信号系统当电压超过 1.1 倍和电流超过 1.3 倍时，装置延时动作并发出报警信号。当系统出现过电压或过电流时，装置切除滤波器，并发生报警信号。(3)其余的补偿容量在 0.4KV 的低压进行。分别对谐波严重的车间进行治理和补偿。整套装置安装容量 600KVAR，采用晶闸管投切电容器组的动态补偿加滤波方式（TSC） ，共设 5 次、7 次共二个支路。控制器按照设定的编码方式进行自动投切。电抗器采用环氧浇注固封式结构，性能更可靠。六、整体治理后的效益分析由于谐波的存在，将对系统产生损耗，会使设备发热，产生噪音和跳闸现象增加，使用户增加设备维护费用，使产品的质量下降，使设备的效率降低，使电度计量增加，对电网造成不稳定影响及污染。本方案投运后的仿真效果如下:10KV 系统滤波后系统电压 波形 昆明电器科学研究所 谐波检测报告KEARI1110KV 系统滤波后系统电流波形10KV 滤波后系统谐波含有量10KV 滤波后的电压畸变率昆明电器科学研究所 谐波检测报告KEARI12由图中可见，本方案投运后，各次谐波电流已经下降到国标允许范围之内，电压畸变
